瞬时动作按钮开关设计

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(贵州振华华联电子有限公司，贵州凯里，556000)

1 引言

按钮开关是由与按钮行程同一直线的推动力来驱动内部触点转换的开关。瞬时动作按钮开关的是按钮开关的一种，主要特点是其大部分时间是处于初始自由状态的位置上，只是在有要求时才在外力作用下转换到第二种状态(位置)，当外力一旦除去，由于弹簧的作用，开关就又回到初始位置。本文针对瞬时动作按钮开关的使用要求，通过对产品的主要技术指标、参数等进行分析、设计和计算，为按钮开关设计提供参考。

2 主要技术指标

本文针对整机装备的信号控制使用要求，结合以往在产品的设计、工艺、选材等方面进行分析、设计。产品研制要求如下：

工作电压: 220V(AC)；

额定电流：3A(阻性)；

绝缘电阻：≥1000 MΩ；

介质耐压：1000V AC；

耐湿：10d；

盐雾：96h；

长期工作环境温度：-55～85℃；

电寿命：50000次；

低气压：4.39kPa。

3 结构设计

3.1 开关的总体结构设计

通过对开关的主要使用环境、技术要求等进行分析研究，确定开关的设计结构由以下四个部分组成：安装附件、换向机构、电接触机构、基座组件。产品采用螺母安装方式，接线形式为焊接式，产品总体结构示意图见图1。

1、安装附件 2、换向机构 3、电接触机构4、基座组件图1 产品总体结构示意图

3.2 换向机构设计

换向机构由按钮头、套圈、换向压簧、钢球、上联结座、复位压簧、接触组等组成，其结构示意图如图2所示。

1、按钮头 2、套圈 3、换向压簧 4、钢球 5、上联结座 6、复位压簧 7、接触组图2 换向机构图

如图2所示，在设计时换向机构中设有瞬动突跳机构，该机构在按动时能够产生明显的换向动作，使开关在实现电路转换过程中能产生清晰的手感和实现快速接触，减少触点表面的电磨损和拉弧，其设计原理是：在按钮组件联结杆上设计一横孔，在横孔中装入换向压簧和钢球，并设有金属套圈将钢球进行限位，按钮按动过程中通过换向压簧促使钢球与上联结座相互作用，当按动力达到一定值时换向机构处于临界状态，按钮因惯性力作用产生突跳动作，实现开关换向，并推动接触组与基座组件中的静触点接触，当松开按动力后，在复位压簧的复位力作用下，促使换向机构回弹，达到一定位移时换向机构产生突跳恢复原位。此换向机构设计合理可靠，按动时增强了开关换向手感，并能保证开关在强振动和强冲击环境中工作可靠性。

3.2.1 按钮头设计

按钮头属开关的操作部分，采用嵌压结构将金属按柄包裹在塑料件内，塑料部分起到了很好的绝缘作用，而金属部分又提高了整个组件的强度，保证了产品的安全性和可靠性，其结构图示意如下图6所示：

3.2.2 接触组设计

接触组是开关的载流零件，它采用圆环式接触面保证接触时无接触盲点，斜面设计保证接触时与接触点产生的剪切运动能够有效地戳破膜层，保证接触可靠。其结构示意图如下图4所示：

图3 按钮头结构示意图图4 接触组结构示意图

3.3 基座组件

开关的基座组件由基座、接触簧片组、铆钉、焊片等组成，焊片和接触簧片组通过铆接的方式固定在基座上，该方式可以有效地固定载流零件，防止振动、发热等因素导致的脱落。其结构示意图如图5所示。

1、基座 2、接触簧片组 3、铆钉 4、焊片 图5 基座组件结构示意图

3.3.1 接触簧片组

接触簧片组由接触簧片和接触点铆接而成，接触簧片选用弹性和强度较好的锡青铜材料；接触点采用具有较高的导电性、导热性和工艺性的银合金材料，触点表面作镀金处理，防止零件在潮湿的空气中氧化。其结构示意图如图6所示。

3.4 电接触机构设计

电接触机构由换向组件中的接触组和基座组件中的接触簧片组构成，它采用双触点结构，保证产品接触可靠，其结构示意图如图7所示。

4 可靠性设计

4.1 电接触可靠性设计

4.1.1 电接触形式的选择

图6 接触簧片组结构示意图图7 电接触机构结构示意图

常见的接触形式有点接触、线接触和面接触等三种形式。对带触点开关而言，正确选择触点对的接触形式至关重要，对于大、中负荷的触点，其表面膜层易被破坏或被电弧烧穿，所以其接触电阻取决于收缩电阻，因此，应选择接触点数量较多的面接触或线接触。对于小负荷触头，其表面膜层不易被破坏，因而其接触电阻主要取决于膜电阻，为增大接触点的压强以提高其清膜能力，宜选择点接触。该型号开关的电流属于中小负荷，同时为提高开关的灵敏度，宜采用点接触方式。

4.1.2 接触机构设计

该型号按钮开关属于直线驱动开关，其接触机构采用切入式点接触形式，在转换动作过程中，通过压簧的压缩和释放带动钢球在上联结座内弹跳实现开关触点对的断开和接触。接触机构主要由接触组与接触簧片组等组成，而接触簧片组由接触簧片和静触点构成，接触簧片为弹性元件，保证开关实现良好的电接触和电传导。

接触压力和电接触有密切关系，是产品内部结构设计必不可少的参数，也是减小和稳定接触电阻，保证产品性能的一项关键技术。为使开关触点接触可靠，应使接触电阻尽可能的减少，其接触电阻的保证是十分关键的，接触电阻又与触点压力密切相关，开关的接触电阻与触点压力成反比关系，其关系成形的曲线如图8所示。

图8 接触电阻与触点压力关系图

开关在转换过程中，随着触点压力的增加，接触电阻逐渐减小，当接触压力达到一定值时，接触电阻基本稳定。在接触电阻稳定的前提下，如果接触压力过大，将直接影响开关使用寿命，使开关产生早期失效。根据开关触点设计多年积累的经验，同时也考虑其电负荷，电寿命等因素，设定开关触点压力为1.5N(单个触点)，能保证触点接触可靠。

接触簧片设计，如图9所示。

图9 接触簧片结构示意图

本开关的触点对的接触压力主要通过簧片形变来实现触点对的可靠接触，根据结构可知，接触簧片的形变力等于触点对的接触压力，簧片的形变力计算公式如下：

P=Ebh3X/4L3

式中：

P-簧片的触点压力(N)

E-弹性模量(N/mm2),取值1.1×105N/mm2

b-簧片的宽度(mm)，设计值为3mm

h-簧片厚度(mm)，选材为0.3mm

X-簧片最大挠度(mm)，设计值为0.2(mm)

L-簧片有效长度(mm)6.6mm

将各值代入公式，求得：

P=(1.1×105×3×0.33×0.2)/(4×6.63)

=1.55N

开关触点的接触压力应满足P≥88.5×Ie1.52×10-4=0.047N，开关的额定电流Ie为3A，因此代入公式P=1.55N≥0.047N，因此接触压力1.55N，符合接触压力设计要求。

a) 簧片固有频率的计算

式中：

f0-簧片固有频率；

h-簧片厚度，这里h=0.03cm；

L-簧片长度，这里取L=0.66cm；

E-材料弹性模量，锡青铜为(1.1～1.3)×106kgf/cm2，这里取E=1.1×106kgf/cm2

γ-材料密度，锡青铜γ=8.23g/ cm3。

将数据代入公式得：f0=5640Hz。由此可见，开关接触簧片的固有频率在振动频率(10～2000Hz)范围之外，可以避免簧片在振动时发生共振而导致产品失效，接触簧片设计满足要求。

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b) 接触簧片强度校核

σ=6PL/bh2

式中：

σ-簧片应力；

P-簧片正压力，0.36kg；

L-簧片有效长度，6.6mm；

b-簧片宽度，3mm

将数据代入公式得：σ=52.8kgf/mm2。

锡青铜材料在静负荷条件下，其许用应力[σ]=58～60 kgf/mm2，因σ<[σ] ，所以，上述设计方案能达到产品技术要求。

4.1.3 电接触材料的选择

经查找大量资料和咨询生产厂家，我们列出部分触点材料性能指标，以助于触点材料的选择。几种触点材料的对比如表1所示：

表1 触点材料性能对比表

纯银：纯银有较高的导电性、导热性、工艺性较好(即容易加工)，是目前国内应用最广泛的触点材料。

金：金具有较好的导电性、导热性、化学稳定性最好，在空气中不易氧化，工艺性好，硬度低，但价格昂贵，不适合批量生产。

银合金：银合金具有较高的导电性、导热性、工艺性较好等银的主要性能，但电阻系数较银高。

经综合对比，并结合工厂生产开关多年的成功经验，本开关选用银线Ag作为触点材料，其表面作镀金处理。其工艺为：调直→用模具打头成形→检验→电镀→检验，经试验验证能满足使用要求。

4.2 机械可靠性设计

按钮开关的换向特性是靠换向机构动作特性来实现的，换向特性是开关的一项技术指标。

4.2.1 换向压簧设计

换向压簧是转换机构中的重要零件，是实现开关按钮产生突跳的关键零件，其设计参数直接影响开关的动作力、抗环境能力(如振动、冲击)，寿命等。压簧的材料选用碳素弹簧钢丝，绕制成形后经油炉回火处理和发兰处理。

压簧尺寸参数见下图：

图10 换向压簧设计图

根据如下公式：

式中:

F-压力，N；

λ-轴向变形量，mm；

G-切变模量，碳素弹簧钢丝

G=78000MPa；

d-弹簧钢丝直径, mm；

D2-弹簧中径，mm；

n-弹簧的有效圈数。

λ=2.5mm；G=78000MPa；d=Φ0.4mm；D2=Φ2.4mm；n=5圈；

将相关数据代入式：

弹簧指数(旋绕比)C值的确定：

查机械设计手册，得知C值规定在4～14之间，C值越小，在成形时金属丝的变形越大，卷绕越困难；C值过大时，弹簧不稳定。

根据公式：C=D2/d=2.4/0.4 =6

经计算弹簧指数为6在4～14之间，弹簧指数合理，即压簧设计合理。

校核弹簧切应力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系数(应力修正系数)；查得K=1.08

将数据代入公式得:

τ =8×1.08×9×2.4/(3.14×0.43)

=928.7N/mm2

查机械设计手册:Φ0.4mm碳素弹簧钢丝的许用切应力[τ]=1040 N/mm2。

因τ<[τ]，表明弹簧强度满足设计要求，证明换向压簧设定参数合理。

4.2.3 复位压簧的设计及参数确定

复位压簧的设计也是该产品设计的关键技术之一。复位压簧的设计不但要考虑产品的按动力要求，也要考虑压簧本身的抗疲劳能力，综合以上因素复位压簧的设计如图11。材料选用碳素弹簧钢丝，绕制成形后油炉回火处理。

根据如下公式：

式中:

F-压力，N；

λ-轴向变形量，3.7mm；

G-切变模量，碳素弹簧钢丝

G=78000MPa；

d-弹簧钢丝直径,Φ0.6mm；

D2-弹簧中径，Φ6.1mmmm；

n-弹簧的有效圈数：3圈。

求得：F=6.87N

图11 复位压簧设计图

弹簧指数(旋绕比)C值的确定：

根据公式：C=D2/d=6.1/0.6

=10.2

经计算弹簧指数为10.2在4～14之间，弹簧指数合理，即压簧设计合理。

校核弹簧切应力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系数(应力修正系数)；查得K=1.21

将数据代入公式得:

τ =8×1.21×6.87×6.1/(3.14×0.63)

=598.1N/mm2

查机械设计手册:Φ0.6mm碳素弹簧钢丝的许用切应力[τ]=980N/mm2；因τ<[τ]，表明弹簧强度满足设计要求，证明复位压簧设定参数合理。

5 环境性能参数设计

5.1 工作温度适应性设计

产品环境适应性是开关设计的基础，在满足产品性能的前提下，尽可能对结构方案进行简化，防止为了获得微小的性能改进而增加零件，造成可靠性水平下降。在设计过程中，为确保开关能在-55℃～85℃条件下工作，在设计时，所选用的零件原材料均满足环境温度需求，对一些特殊制造均增加了必要的特殊工艺进行保证，如热处理、稳定处理；在结构设计中对动态工作的部分均对配合间隙进行优化选择，保证动态机构在低温下不被“卡死”，确保机构正常动作。

5.2 低气压环境适应性设计

低气压条件为4.39kPa(相当于20000m高空)，在此环境条件下，主要考虑开关的导电件之间最小间隙不产生电压击穿，根据计算在此条件下工作时，最小耐压值设定为250V，实际上设计时触点间的电场并不是理想电场，通过理论计算参数大于设定值，同时该型号开关主要用于机舱内，环境远没有指标严酷，因此设计能满足技术要求。

5.3 防潮、防盐雾适应性设计

本开关所选用的零件原材料均满足潮湿环境需求；尤其是塑料零件采用PT-310塑料，该材料具有绝缘性能好、热变形温度高、韧性好、强度高、阻燃、耐化学腐蚀、吸水率低、收缩率小、成型后收缩变形小等特点。为开关在恶劣的环境条件下正常工作提供了材料保障，在工艺上增加后稳定处理，按试验方法进行考核验证能达指标要求。所有的金属零件在设计时均考虑防腐蚀性能，外壳、螺母、垫圈等采用黄铜表面作电镀处理，所有的导电零件均采取表面电镀处理，保证满足湿热、盐雾等指标要求。

6 结论

通过对该按钮开关的总体结构设计，电接触理论分析，关键零件的选用设计，特殊复杂环境的适应性设计等方面的研究，为开关元件的设计提供一定的参考。